21世纪以来贝氏体钢的研究开发与应用

21世纪以来贝氏体钢的研究开发与应用

daner排水和c.bain在20世纪30年代首次在钢中发现。当钢被分解为橙色铁时，它会被冷却到低于珠光体温度的马体内，并在转化温度以上形成新的转化产品。后来将这种亚稳组织命名为贝氏体。依其组织形态不同可分为上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、块状贝氏体、柱状贝氏体、无碳化物贝氏体等等。由于贝氏体相变及其组织的复杂性,近几十年来许多人士对贝氏体进行了广泛的研究,所以贝氏体理论的应用研究取得了很大的进展,贝氏体钢的开发应用也引起了社会相关领域的高度重视。1贝氏体钢分类1.1基于材料的组成按合金成分可分为Mo-B系或Mo系贝氏体钢,Mn-B系贝氏体钢,Si-Mn-Mo系准贝氏体钢。1.1.1mo-b钢-珠光体复合材料20世纪50年代,英国P.B.Pickering等人发明了Mo-B系空冷贝氏体钢,由于Mo对贝氏体转变推迟作用低于珠光体转变,且B可推迟铁素体转变,所以Mo和B的结合可使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。因此该贝氏体钢系的开发引起了当时人们的广泛关注,但因Mo的原料价格偏高,同时又由于Mo-B钢的贝氏体组织转变温度高,产品强度、韧性较差。要降低此温度,必须将Mo-B钢复合合金化,将进一步提高成本,于是其推广受到了一定程度上的限制。1.1.2mn-b系空冷贝氏体钢的研制该钢系的代表人物是清华大学方鸿生。他于20世纪70年代初在研究中发现,当Mn在一定含量时,使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上下C曲线分离,Mn与B的结合,使高温转变孕育期较中温转变增长,以此为理论依据成功地用普通元素即可进行合金化,发明了Mn-B系空冷贝氏体钢。适量的Mn在获得空冷贝氏体钢的同时,显著降低贝氏体相变温度,增加了强度和韧性。这是由于适量的Mn在中温下的相界处富集时,对相界迁移起拖曳作用,与B共同作用获得贝氏体,同时Mn显著降低贝氏体相变驱动力,使贝氏体相变温度降低,细化贝氏体尺寸。Mn-B系贝氏体钢的研制弥补了Mo-B系贝氏体钢的缺点,并开发出了碳含量不同的多系列Mn-B系贝氏体钢。由于Mo的价格为Mn的30倍,因此Mn-B系空冷贝氏体钢在推广中较Mo-B系存在一定优势,近年来成为贝氏体钢发展的主要方向。1.1.3准贝氏体的成因西北工业大学的康沫狂、杨延清等人研制了Si-Mn-Mo系准贝氏体钢。他们在钢中加入Si、Al等阻碍碳化物析出的合金元素,在空冷时得到贝氏体铁素体和奥氏体组成的非典型或碳化物贝氏体,称为准贝氏体。钢中合金元素的加入,推迟了CCT图中铁素体和珠光体的开始转变线,而对贝氏体析出线影响不大。从而在较大的冷却速度范围内获得贝氏体组织,同时可以阻碍碳化物的析出。该钢系是在贝氏体钢基础上发展起来的一类新型钢种,它既保持了贝氏体钢优异的热处理和焊接工艺性,又改善了强韧性配合,并具有高的疲劳强度和耐磨性,其综合性能超过了同强度级别的调质钢以及某些超高强度钢。1.2其他类型的背景钢1.2.1贝氏体增强对铁素体织构的作用低碳贝氏体钢在成分上采用低碳,复合加入V、Mo、B、Mn、Cr等合金元素。Mo使铁素体析出线明显右移,和B复合作用,使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步推移,贝氏体开始转变明显突出。Cr、Mo和Mn元素扩大了CCT曲线的贝氏体相变区,提高了过冷奥氏体的稳定性。Mn、Mo元素提高了淬透性,降低Ar3并延迟γ/α相变,促进了针状铁素体抑制了多边形铁素体形成。于是得到良好的贝氏体组织,该钢种具有良好的强韧性和焊接性。超低碳贝氏体钢目前可分为两类,一类是以美国、加拿大为代表的Cu-Nb-B系列;一类是以日本为代表的Mo-Nb-B系列。新型超低碳贝氏体钢一般碳含量小于等于0.05%,钢的强度不在依靠碳含量,而是通过位错强化,微合金强化及ε-Cu沉淀强化来完成。因此具有高密度位错亚机构的均匀细小的贝氏体组织,和高强韧性超异焊接性特点。作为近20年来发展起来的新钢系,它被国际上誉为21世纪环保绿色钢种,广泛应用于油气管线、工程机械、压力容器、集装箱、桥梁、舰艇等诸多领域。1.2.2等温热处理贝氏体复相钢可分为马氏体-贝氏体复相钢(简称M-B钢)和奥氏体-贝氏体复相钢(简称A-B钢)。M-B钢采用Mn、B等元素合金化,在空冷状态下获得M-B复相组织。硬度达50HRC以上,若经中温回火,其韧度高于等温淬火得到的M-B钢。由于成分简单,成本低廉,且空冷自硬的特点,该钢适用于制造自硬后不需加工的复杂零件;A-B钢加入了Si、Mn、Cr等提高淬透性的合金元素,经等温淬火后,钢中碳全部溶于铁素体和奥氏体中,不析出碳化物,富碳奥氏体以薄膜状均匀分布与含C、Si元素过饱和的贝氏体铁素体板条之间。该钢具有良好的韧度和强度配比。2贝氏体钢的应用2.1准贝氏体钢焊接产品工程机械中不少易磨损的部件都有准贝氏体钢的应用。如采煤机截齿、矿用圆环链、重型钎杆、高强度抽油杆等等。目前国内生产截齿钢材多使用35CrMnNi、42CrMoA和55SiMnMo等。价格为5000元/t~6000元/t,进口的Cr、Mn、Mo系列截齿用钢材使用寿命虽高,但价格高出5~6倍,准贝氏体钢BZ-30价格和35CrMnNi相当,但寿命提高2~2.5倍,山西大同截齿机厂、湖北咸宁矿山机械厂经使用后,反映效果良好;国外矿用圆环链都采用高强度低碳低合金钢,如日本的23MnCrNiMo、美国的SAE820、英国的BZ2722等。目前我国高强度圆环链主要依赖进口,现准贝氏体钢制造的BZ-15L矿用高强度圆环链,部分规格指标已达到C级国家标准,目前已用于取代进口圆环链,并得到推广;液压凿岩机重型钎杆用钢材国内一直使用的是18CrNi3MoA钎钢,价格为13000元/t,而湖北咸宁矿山机械厂制造的BZ-180准贝氏体钢钎杆用于三峡工程液压凿岩机,其价格为6000元/t,性能指标达到18CrNi3MoA钎钢标准;准贝氏体钢BZ-11制造H级抽油杆热处理工艺简单,力学性能达标,目前应用良好。2.2非调质钢在汽车等含行业的应用贝氏体非调质钢是20世纪70年代首先由德国森特钢铁公司开发成功的,是在中低碳钢中添加廉价经济性微合金元素。在国外为降低成本,在制造大型LNG和LPG贮罐和运输船等都采用非调质处理钢。由于低碳贝氏体非调质钢具有较高的综合性能,尤其在低温下具有较高的韧性,因而在机械、汽车等含行业得到了广泛的应用。汽车工业发达的日本,非调质钢应用最为多见,日本新日铁公司在贝氏体非调质钢的研究中采用低温轧制和Nb、V析出强化相结合,开发出强度高、韧性好、低温性能良好的汽车部件。川琦铁业公司开发出非调质低碳贝氏体型厚钢板;国内1999年武汉钢铁公司开始开发板厚12mm-30mm,抗拉强度达590MPa和685MPa级别的低碳、超低碳贝氏体结构板;近年来,唐山贝氏体钢总厂开发研制出非调质贝氏体汽车前桥钢、非调质贝氏体钢、铁素体珠光体非调质钢等多系列贝氏体非调质钢品种;济南钢铁公司开发出一种新型贝氏体非调质钢,采用廉价的合金代替Ni、Mo等高价元素不经过淬火回火等热处理工艺,使钢板热成型后空冷自硬,目前应用良好。2.3超低碳贝氏体钢2004年,梅山公司自主研制的低碳贝氏体钢MDB450获得成功,实物性能水平已超过X60标准的要求,在生产成本较低的情况下,扩大了钢的使用范围,经济效益前景可观;日本新日铁公司于20世纪60年代末研制成功超低碳贝氏体钢,这种钢可用于制造北极的APIX60-X80级高强度管线,该钢具有良好的低温韧性和可焊性;武钢公司成功攻克了超低碳贝氏体钢的生产工艺,采用先进的TPCP生产工艺,研制成了WDB620、WH70、WH80系列超低碳贝氏体钢,在国内处于先进水平。该钢种具有优良的韧性、良好的焊接性、理想的屈强比,板形易于控制加工,被广泛用于水电站压力水管道,矿井液压支架及重型电动自卸车辆制造等方面;鞍钢新轧钢铁公司厚板厂,成功开发出超低碳贝氏体钢HQ590DB,HQ690DB钢板,填补了国内这一领域空白,现已批量生产。其他类型的